近10年青海省水資源利用時空格局分布

朱海玲，馬金安，李存霞，鄭國強

(青海省工程咨詢中心，青海西寧 810001)

水資源作為基礎性的自然資源和戰略性的經濟資源，是生態環境的重要控制因素。隨著人口不斷增加、經濟快速發展、城市化進程加快和人民生活水平的逐步提高，水資源已成為國民經濟建設和生態建設的命脈，直接關系到國家安全、社會穩定和可持續發展。水資源供需矛盾日益突出，已經成為世界范圍內的戰略性問題之一[1-2]。

青海地處青藏高原東北部，被譽為“中華水塔”，是長江、黃河、瀾滄江的發源地，是我國淡水資源的重要補給地，全省水資源總量達629.3億m3，人均水資源量1.09萬m3，為全國人均水量的5倍多，水資源已成為該省最主要的生態產品，是保障經濟社會發展的基本條件，是建設生態大省、強省的重要支撐，是實現生態生產生活良性循環的必備要素。近年來，在西部大開發、一帶一路、國家加大藏區建設投入、東部城市群建設等一系列重大戰略政策支撐下，青海省經濟大幅增長、結構轉型升級、城鎮化進程加快、發展方式轉變及產業布局調整，水資源利用格局也隨之發生較大變化，現有的水利基礎設施格局、水資源管理體系及開發利用水平，已難以滿足全省經濟社會發展對水資源的需求，難以適應全省“四個轉變”發展新思路和“131”發展總要求，難以支撐青海省肩負的保護“中華水塔”的生態重任。因此，筆者對全省水資源利用時空格局進行更詳細的分析，促進新形勢下水資源優化配置，為強化水資源對經濟社會發展支撐、建設生態強省、融入國家戰略提供依據。

1 資料與方法

1.1研究區概況青海省位于89°35′～103°04′E、31°39′～39°19′N，面積69.66萬km2，平均海拔3 000 m以上，是世界屋脊的重要組成部分。東部與北部同甘肅省相連，東南部和四川省為鄰，西南與西藏自治區毗連，西北部與新疆維吾爾自治區相接，是連接西藏、新疆與內地的紐帶。

青海省東南部、東北部水系發達，河網密集；西北部諸盆地，河流稀疏；柴達木盆地西北部屬于無徑流區。省內流域面積50 km2及以上河流3 581條，總長度11.41萬km；流域面積100 km2及以上河流1 791條，總長度8.2萬km；流域面積1 000 km2及其以上河流200條，總長度2.81萬km；流域面積10 000 km2及其以上河流27條，總長度0.99萬km。以烏蘭烏拉山—布爾汗布達山—日月山—大通山一線為界，以南以東為黃河流域、長江流域、瀾滄江流域，屬外流河區；以北以西為內流河區。

1.2數據來源該研究以青海省為研究對象，以全省8個市級行政區為研究單元，研究過程涉及到的經濟社會數據來源于《青海統計年鑒》(2008—2017年)，水資源數據來源于《青海省水資源公報》(2007—2016年)。

1.3研究方法

1.3.1區域重心。“重心”這一概念源自于力學，是指一個物體各部分所受重力產生合力的作用點[3]。隨著學科的相互交融，重心模型被廣泛應用到各領域研究中，如人口重心模型[4]、經濟重心模型[5]、旅游重心模型[6]、水資源重心模型[7]等，成為研究區域發展過程中相關要素空間變化的主要分析工具[8]。該研究將這一分析工具引入青海省水資源重心路徑遷移問題研究中。重心地理坐標(x，y)的計算公式如下：

(1)

式(1)中，Xt、Yt分別為第t年重心的經度坐標和緯度坐標；mi為第i個子區域某種屬性的數量值；xi、yi分別為子區域地理中心的經緯度坐標。

1.3.2相對變化率。根據我國對水資源的相關分類，可以把水資源利用類型劃分為農業用水、工業用水、生活用水和生態用水4大類型。對于水資源利用變化的區域差異，可以用水資源利用類型的結構變化來表示，對此引入水資源利用類型的相對變化率，其公式如下：

(2)

式(2)中，Pm、Pn分別指子區域的某種水資源利用類型在研究期初和研究期末的用水量；Qm、Qn分別指青海省某種水資源利用類型在研究期初和研究期末的用水量。若W>1，則表明該子區域m類型水資源利用變化大于全省水平；若W=1，則表明該區域該類型水資源利用變化與全省的一致；若W<1，則表明該子區域該類型水資源利用變化小于全省水平。

1.3.3水資源利用效率。水資源作為支撐經濟發展的基本要素，同時，全國超過70%的水資源消耗量用于經濟生產活動，因此水資源總體利用效率可用經濟生產活動的水資源利用效率代替。該研究借鑒尹上崗等[7]、馬海良等[9]研究思路，采用區位熵法，將青海省各州市GDP占全省GDP的比重與各州市水資源用量占全省水資源用量的比重二者之間的比值作為水資源利用效率，具體公式如下：

(3)

式(3)中，Mij為j年份i子區域的水資源利用效率；Gij為j年份i子區域的GDP；Gj為j年份全省GDP；Wij為j年份i子區域的地區用水量；Wj為j年份全省水用量。

2 結果與分析

2.1青海省水資源重心演變軌跡水資源重心隨時間的移動軌跡可反映出水資源空間分布差異的動態演變過程。根據式(1)，計算2007—2016年青海水資源總量、水資源用量及GDP的重心，分析青海水資源及其利用的時空演變總體移動軌跡(圖1)，并探討GDP對水資源利用格局變化的影響。

圖1 2007—2016年青海省水資源總量重心轉移軌跡Fig.1 Track of gravity shift of total water resources in Qinghai Province from 2007 to 2016

由青海省水資源總量重心轉移軌跡(圖1)可知，2007—2016年以全省幾何中心為參考，青海省水資源總量重心總體向東南側偏移，位于海西州、果洛州、玉樹州三地交界處，全省水資源分布不均，東南部水資源分布相對較多。年際水資源總量重心移動軌跡具有很強的不穩定性，說明年際氣溫和降水量空間分布呈波動性變化。水資源總量為地表徑流量與降水入滲補給量之和，即區域產水量。青海省水資源補給主要以降水為主，冰川融水為輔，其中，內陸河多為冰川融水和雨水混合補給型，外流河多為以雨水補給為主。全省多年平均氣溫呈自西向東先增后減再增的趨勢、自南向北先減后增再減的特點，最高氣溫出現在東部西寧[10]。全省降水量總體由東南向西北遞減。水資源總量重心移動距離大小直接反映出水資源總量年際穩定程度。2007—2016年青海省水資源重心年際轉移距離均值為15.87 km，2015—2016年重心轉移距離為62.00 km，遠大于移動均值，呈跳躍性轉移，查閱資料發現，2016年青海省平均氣溫為1961年以來氣溫最高值，同時屬降水量偏豐年，行政區域中西寧市降水量最大，較多年平均偏多9.4%，綜上多種因素致使水資源總量重心移動距離較大。

由青海省水資源用量重心轉移軌跡(圖2)可知，2007—2016年以青海省幾何中心為參考坐標，青海省水資源用量重心總體向東北移動，各重心均在海西州與海南州交界處，移動軌跡具有明顯的階段性，呈“一”字型。在重心移動方向上，2007—2011年基本由東向西移動趨勢，平均移動距離為31.72 km；2012—2016年基本由西向東移動，平均移動距離為11.47 km。水資源用量重心移動軌跡的年際方向變化和移動速度表明，青海省南部和北部的年際水資源用量較為穩定，西部柴達木地區和東部地區作為全省主要用水地區，年際波動較大，2007—2011年柴達木地區用水量逐年增加，增幅較大；2012—2016年東部地區用水量逐步增多，但增幅較小。

對比圖1和圖2，水資源總量和水資源用量重心轉移軌跡截然不同。水資源用量是支撐經濟發展的基本要素，因此進一步研究青海省GDP重心轉移軌跡，分析水資源用量軌跡轉移驅動因素。

圖2 2007—2016年青海省水資源用量重心轉移軌跡Fig.2 Track of gravity shift of water resources usage in Qinghai Province from 2007 to 2016

由圖3可知，以全省幾何重心為參考坐標，全省GDP重心向東部偏移，重心軌跡主要集中在海西州與黃南州交界偏東處，與全省用水量重心位置相差無幾，說明水資源用量重心與各地區GDP關系密切。而且GDP重心轉移方向上與水資源用量重心一致，沿南北向浮動較小，主要沿東西向移動。但兩者的年際移動軌跡呈現差別化，2007—2013年GDP重心移動軌跡呈東—西來回波動，平均移動距離為7.60 km；2014—2016年GDP重心大幅向東部移動，平均移動距離為16.58 km，形成兩者的差別化移動軌跡因素有很多，主要是三產結構、高耗水產業分布和用水效率等。2007—2016年青海省農田灌溉用水量占總用水量的57.26%，且農田灌溉主要集中在海西州和東部地區，其中海西州地處柴達木盆地，種植業以經濟作物枸杞、藜麥為主，由于蒸發量大，且用水粗放、大水漫灌現象普遍存在，為全省農田灌溉用水量定額的高值區，農田灌溉用水定額均值高達16 005 m3/hm2，遠高于全省均值(9 135 m3/hm2)，因此相對全省GDP重心，水資源用量重心偏西北。青海省水資源分布與資源、人口、城鎮布局不相匹配，以西寧和海東為主的東部地區匯集了全省70%的人口和64%的經濟總量，水資源用量需求大，所以相對水資源總量重心，水資源用量重心大幅向東部偏移，針對這種情況，需進一步加大對青海水資源優化配置方面的投入，提高水資源對經濟社會發展的基礎支撐作用。

圖3 2007—2016年青海省GDP重心轉移軌跡Fig.3 Track of gravity shift of GDP in Qinghai Province from 2007 to 2016

2.2青海省水資源利用結構變化根據式(2)，計算出2007—2016年青海省各州市不同類型用水量的相對變化率，包括農業用水量、工業用水量、生活用水量、生態用水量、用水總量和人均用水量，并采用ArcGIS進行可視化(圖4)。結果發現，用水總量、人均用水量、不同類型用水量變化呈現顯著區域差異化。各州市農業用水空間變化值為0.668～1.528，變化順序為海西州>海北州>玉樹州>果洛州>1>海南州>黃南州>西寧市>海東市；各州市工業用水空間變化值為0.605～4.740，變化順序為玉樹州>海東市>海南州>海北州>海西州>黃南州>1>西寧市>果洛州；各州市生活用水空間變化值為0.877～1.109，變化順序為果洛州>玉樹州>海東市>西寧市>1>海南州>黃南州>海西州>海北州；各州市生態用水空間變化值為0～14.582，變化順序為海東市>海西州>黃南州>1>果洛州>玉樹州>西寧市>海北州>海南州(值為0)；各州市用水總量空間變化值為0.748～1.374，變化順序為玉樹州>海西州>海北州>果洛州>1>黃南州>海南州>海東市>西寧市；各州市人均用水量空間變化值為0.693～1.451，變化順序為黃南州>海北州>玉樹州>海東市>果洛州>海西州>1>西寧市>海南州。全省用水量空間變化幅度相對較小，用水總量趨于穩定。生活用水變化幅度最小，但人均用水量空間變化幅度較大。

注：a.農業用水；b.工業用水；c.生活用水；d.生態用水；e.用水總量；f.人均用水量Note：a.Agricultural water；b.Industrial water；c.Domestic water；d.Ecological water；e.Total water use；f.Per capita water consumption圖4 青海省各州市不同類型用水量的相對變化率Fig.4 Relative change rates of different types of water use in states and cities of Qinghai Province

青海省地域遼闊，地理環境復雜，各區域發展水平不平衡、人口分布不均，根據童旭光等[11]、張愛儒[12]的相關研究得出，青海省經濟發展區域差異顯著，各州市發展速度不一致，按照經濟社會發展程度分為3個階梯，第1階梯是西寧市、海西州，為全省的經濟發展帶動區域，二者為全省貢獻了65%以上GDP；第2階梯是海東市、海北州、海南州、黃南州；第3階梯包括玉樹州、果洛州。因此各地區灌溉設施覆蓋不均衡，節約用水水平層次不齊，各地區不同類型用水變化呈現不同特點。西寧市是全省的政治、經濟、文化中心，近10年來城市人口集聚效應明顯，根據相關統計，平均每年常住人口凈增2.21萬，西寧市生活用水變化幅度最為突出，并大于全省變化幅度；海西州作為國家循環經濟先行區，與西寧市同屬全省的經濟發展支柱，同時地處柴達木地區，種植業以經濟作物枸杞、藜麥為主，由于蒸發量大，且用水粗放、大水漫灌現象普遍存在，為全省農田灌溉用水量定額的高值區，農業用水變化最大，綠洲生態建設也需要水資源支撐，因此，用水總量變化隨之浮動；隨著西部大開發、“一帶一路”戰略的深入實施，及全面建設小康社會、援藏政策等政策資金投入，處于第2階梯和第3階梯的區域經濟大力發展，用水量大幅增加，水利設施建設加強，海北州、黃南州、海南州、果洛州、玉樹州等不同類型用水變化幅度較大，尤其是玉樹災后重建，加之撤縣建市，帶動全州經濟發展方式發生轉變，玉樹州工業用水、生活用水、用水總量變化都較為突出。海東市地處東部干旱地區，也是全省農業發展的主戰場，用水量在全省的占比較大，隨著海東市撤地建市，在全省推進東部城市群建設并積極融入蘭西城市群國家戰略發展契機下，經濟加速發展，生態用水和工業用水變化較為顯著，尤其是生態需水急劇增加，但農業用水和用水總量變化均為全省最小，說明這10年來海東市用水結構隨著經濟發展不斷調整，呈“此消彼長”發展趨勢，用水總量變化不大，海東市三產結構比由2007年的19.81∶37.58∶42.61調整為2016年的13.00∶50.13∶36.86，更證實了這一點。

2.3青海省用水效率變化分析根據式(3)計算出2007—2016年青海省各州市水資源利用效率(圖5)。借鑒馬海良等[9]對經濟用水的分類方法，水資源利用效率可劃分為4類區：Ⅰ類區為水資源利用高效型(2.0～6.0)，Ⅱ類區為水資源利用較高效型(1.0～2.0)，Ⅲ類區為水資源利用較低效型(0.5～1.0)，Ⅳ類區為水資源利用低效型(0～0.5)。總體上，2007—2016年全省水資源利用效率較高的有西寧市、黃南州、玉樹州、果洛州，水資源利用效率低的有海西州、海東市、海北州、海南州。各州市水資源利用效率隨時間變化呈多樣化。黃南州水資源利用效率在Ⅱ類區波動，為全省水資源利用效率最高的區域；西寧市水資源利用效率呈較穩定增長趨勢，由Ⅱ類區進入Ⅰ類區；海東市水資源利用效率呈小幅增長趨勢，但一直處于Ⅲ類區內；海南州為Ⅳ類區，變化幅度不明顯，為全省水資源利用效率最低；玉樹州水資源利用效率呈波動式下降趨勢，由Ⅰ類區進入Ⅱ類區；果洛州水資源利用效率較高，效率變化以2011年為峰值，呈“∧”狀；海北州水資源利用效率不高且變化幅度小，處于Ⅲ類區；海西州水資源利用效率水平較低，且呈穩定下降趨勢。

圖5 2007—2016年青海省各州市水資源利用效率對比Fig.5 Comparison of water use efficiency in various prefectures and cities of Qinghai Province from 2007 to 2016

3 結論與討論

該研究采用2007—2016年青海省2市6州的不同類型用水量數據及人口、GDP統計數據，對青海省水資源利用類型結構變化、水資源利用效率的空間差異化及驅動因素進行分析，得到以下結論。

(1)2007—2016年受降雨、溫度等因素影響，青海省水資源總量重心偏離幾何重心，各年的重心移動軌跡具有不穩定性；青海省水資源用量重心和GDP重心偏離幾何重心的方向一致，年際移動軌跡呈“一”字形。水資源用量重心偏離水資源總量重心明顯，建議加快水資源配置工程建設，支撐經濟社會發展。

(2)2007—2016年青海省用水總量空間變化幅度相對較小，人均用水量空間變化幅度較大，不同類型用水空間變化呈差異化，除生活用水變化幅度最小，其他類型用水空間變化幅度加大。全省各州市用水結構仍處于調整階段。享國家戰略政策紅利，海北州、黃南州、海南州、果洛州、玉樹州等全省經濟發展較為落后的第2、第3階梯區，大力發展經濟，不同類型用水變化幅度較大。

(3)2007—2016年各州市的水資源利用效率隨時間變化呈多樣化，分為增長型、下降型、變化幅度不明顯型3種類型。全省過半的區域仍處于水資源利用效率較低效型及以下水平，亟需提升。

青海省水資源與經濟發展、人口分布存在嚴重不匹配，在當前轉型發展的關鍵時期，水資源需求逐漸增大，水資源利用效率依然有待提升。因此，了解全省水資源及其利用的空間分布狀況，在水資源“三條紅線”控制指標約束下，優化水資源配置，調整產業結構，加強節約用水建設，提升水資源利用效率，在促進經濟社會可持續發展的同時不擠占生態用水，堅決筑牢國家生態安全屏障。